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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Auswertung eines Sensorsignals
gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs.
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Aus
dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Auswertung von Sensorsignalen
bekannt, welche beispielsweise auf Schaltungstechniken, wie C/U
Wandlern mit Verstärkung
oder verschiedenen Analog Digital Wandlern beruhen. Nachteilig ist
die vergleichsweise langsame Auswertung der Signale auf Grund hoher
Umsetzgeschwindigkeiten der Wandler.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Auswertung eines Sensorsignals mit einer Schaltungsanordnung,
wobei mittels der Schaltungsanordnung eine Signatur von Wahrheitswerten
erzeugbar ist, welche eine Größe des Sensorsignals
relativ zu einem Schwellwert angibt, die erfindungsgemäße Sensoranordnung
und die erfindungsgemäßen Verfahren,
gemäß den nebengeordneten
Patentansprüchen
haben demgegenüber
den Vorteil, dass eine Schwellwertüberschreitung eines Sensorsignals
besonders schnell und mit einem guten Toleranzbereich erkannt und
als Signatur wiedergegeben bzw. weitergeleitet werden kann. Insbesondere
ist eine einsetzende Bewegung, bzw. ein Stoppen einer Bewegung eines
Fahrzeugs oder einer beliebigen anderen Maschine vorteilhaft als
Bewegungssignatur darstellbar, wobei ein erster Zustand (z. B. TRUE/HIGH)
beispielsweise bedeutet: "Fahrzeug
in Bewegung" und ein
zweiter Zustand (FALSE/LOW) bedeutet: "Fahrzeug in Langsamfahrt bzw. Stopp
Betrieb". Dazu wird beispielsweise
das Sensorsignal eines piezokeramischen Sensors ausgewertet.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
weist die Schaltungsanordnung erfindungsgemäß einen Delta Sigma Modulator
in einem instabilen Arbeitsmodus und einen Komparator am Ausgang
des Delta Sigma Modulators auf. Das Prinzip der Delta Sigma Modulation
ist bekannt. Es beruht auf einer zunächst groben Messung eines Signals.
Der dabei entstehende Messfehler wird integriert und über eine
Gegenkopplung fortwährend
kompensiert. Das mittlere Ausgangssignal gibt das mittlere Eingangssignal
wieder. Der Delta Sigma Modulator im Sinne der Erfindung wird auch
als Delta Sigma Kopf eines Delta Sigma Wandlers bezeichnet. Der
Delta Sigma Modulator im Sinne der Erfindung umfasst dagegen kein
Filter. Erfindungsgemäß ist die
Delta Sigma Modulation instabil, das heißt, es kommt zu einem Aufschwingen
des Sensorsignals. Der instabile Delta Sigma Modulator gibt ein übersteuertes
Signal aus. Die Übersteuerung ist
umso stärker,
je stärker
das Sensorsignal ist und sehr schwach bei schwachen Sensorsignalen,
also beispielsweise bei einem geschwindigkeitsabhängigen Sensor
im Langsamfahrbetrieb bzw. nahezu Null im Standbetrieb. Durch Ausnutzung
der Übersteuerung
des instabilen Delta Sigma Modulators wird vorteilhaft eine besonders
schnelle Erkennung einer Schwellwertüberschreitung des Sensorsignals
erreicht, beispielsweise eine Erkennung des Fahrmodus eines Fahrzeugs.
Die erfindungsgemäße, erste Ausführungsform
ermöglicht
einen sehr niedrigen Leistungsverbrauch, so dass sie sich besonders
vorteilhaft für
batteriegestützte
bzw. sogar batterielose, beispielsweise autark leistungsversorgte
Anwendungen eignet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist die Schaltungsanordnung einen Triggerzähler auf, wobei ein von dem
Komparator ausgegebener, digitaler Datenstrom mittels eines von
dem Triggerzähler
gesteuerten Pulsgebers in zeitlich begrenzte Messzählfenster teilbar
ist. Der Triggerzähler
ist vorgesehen, vorzugsweise eine vorgebbare Grenzzahl von Messpulsen des
dichtemodulierten, digitalen Datenstroms abzuzählen, wobei vorzugsweise jeder Übergang
von Null auf Eins, bzw. von LOW auf HIGH als Messpuls gezählt wird.
Die Grenzzahl der zu zählenden
Messpulse beträgt
vorzugsweise weniger als 100, besonders bevorzugt weniger als 10.
Nach Erreichen einer der Grenzzahl entsprechenden Anzahl von Messpulsen wird
mittels des Pulsgebers ein Triggerpuls erzeugt, welcher das Ende
eines Messzählfensters
und den Beginn eines neuen Messzählfensters
markiert.
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Gemäß der Erfindung
ist bevorzugt, dass die Schaltungsanordnung einen Messzähler zur
Auswertung der Messzählfenster
aufweist. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Schaltungsanordnung
einen Ergebnisspeicher zur Speicherung der Auswertung jeweils eines
Messzählfensters
aufweist. Der Messzähler
ist vorzugsweise durch den Triggerpuls zurücksetzbar. Von dem Inhalt des
Ergebnisspeichers bei Erzeugung des Triggerpulses ist die erzeugte
Signatur abhängig.
Mit Beginn des folgenden Messzählfensters ist
der Inhalt des Ergebnisspeichers zurücksetzbar.
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Gemäß der Erfindung
ist bevorzugt, dass der Delta Sigma Modulator zweistufig ist, wodurch
vorteilhaft eine höhere
Sicherheit in der Erkennung der Schwellwertüberschreitung des Sensorsignals
möglich
ist. Denkbar wären
jedoch auch andere Delta Sigma Modulatoren. Da keine Filterung des
digitalen Datenstroms erfolgt, ergibt sich vorteilhaft ein Gewinn
an Chipflächenersparnis
und Leistungsarmut.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Auswertung
eines Sensorsignals, wobei eine Signatur von Wahrheitswerten erzeugt wird,
welche eine Größe des Sensorsignals
relativ zu einem Schwellwert angeben, wobei das Sensorsignal in
einen Delta Sigma Modulator eingespeist wird, wobei der Delta Sigma
Modulator in einem instabilen Arbeitsmodus betrieben wird und ein
Ausgangssignal des Delta Sigma Modulators mittels eines Komparators
in einen dichtemodulierten, digitalen Datenstrom gewandelt wird.
Durch Übersteuerung
des Delta Sigma in den instabilen Bereich wird eine Schwellwertüberschreitung
des Sensorsignals vorteilhaft schnell erkannt. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
einen sehr niedrigen Leistungsverbrauch, so dass es sich besonders
vorteilhaft in batteriegestützten
bzw. sogar batterielosen Systemen anwenden lässt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es bevorzugt, dass eine Anzahl von Messpulsen des digitalen
Datenstroms gezählt
wird, wobei der digitale Datenstrom in zeitlich begrenzte Messzählfenster
unterteilt wird, welche jeweils eine vorgegebene Anzahl an Messpulsen
aufweisen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es weiterhin bevorzugt, dass die Messzählfenster durch einen Messzähler ausgewertet
werden, und ein Ergebnis der Auswertung in einem Ergebnisspeicher
festgehalten wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es bevorzugt, dass das Ergebnis der Auswertung in dem Ergebnisspeicher
mit einer vorgegebenen Signaturzahl verglichen wird, wobei die Signatur
in Abhängigkeit
von einem Ergebnis des Vergleichs erzeugt wird. Die Signatur ist
somit eine logische Antwort auf die Abfrage, ob der Wert des Ergebnisspeichers
die vorzugsweise vorgebbare Signaturzahl erreicht bzw. übersteigt. Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es bevorzugt, dass das Messzählfenster
unabhängig
von einer Anzahl gezählter
Messpulse beendet wird, sobald der Wert des Ergebnisspeichers die
Signaturzahl erreicht. Das Messzählfenster
wird so vorteilhaft dynamisch gesteuert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst eine zweite Ausführungsform,
wonach die Schaltungsanordnung erfindungsgemäß mindestens einen Operationsverstärker und
einen Komparator, sowie eine Eingangskondensatoranordnung mit einem
oder mehreren geschalteten Kondensatoren aufweist, wobei das Sensorsignal
mittels einer Abtast-Halte-Schaltung speicherbar ist und wobei das
in der Abtast-Halte-Schaltung
gespeicherte Sensorsignal invertiert in den Operationsverstärker einspeisbar
ist. Gegenüber
dem Stand der Technik hat die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
den Vorteil, dass ein Fehler, im Folgenden auch als Offset bezeichnet,
unterdrückt
wird. Offsetdriften des Sensors werden beispielsweise durch Temperaturveränderung
hervorgerufen. Leckströme
an den Eingängen
eines die Schaltungsanordnung beinhaltenden integrierten Schaltkreises
(IC) können
zu Offsetdriften führen,
sowie die beteiligten Schaltungskomponenten offsetbehaftet sein
können.
Geschaltete Kondensatoren oder Kapazitäten werden auch als Switched
Capacitor (SC-Schaltung) bezeichnet. Die Abtast-Halte-Schaltung
wird vielfach auch als Sample and Hold Stufe bezeichnet. Dadurch
dass der darin gespeicherte Offset der Signalverarbeitung mit negativem
Zeichen zugeführt
wird, ist die Erkennung der einsetzenden oder stoppenden Bewegung
eines Fahrzeugs vorteilhaft ohne weitere Komponenten möglich. Für die Erzeugung
der Signatur ist lediglich der Schwellwert des verstärkten Signals
von Interesse. Es kann vorteilhaft ein einfacher Komparator hinter
dem Verstärker
die Erzeugung der Signatur übernehmen.
Ein Analog/Digital Wandler ist nicht notwendig. Durch die Einsparung ist
die erfindungsgemäße, zweite
Ausführungsform
besonders energieeffizient.
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Gemäß der Erfindung
ist bevorzugt, dass die Schaltungsanordnung für eine volldifferentielle Verarbeitung
des Sensorsignals in eine positive Signalstrecke und eine negative
Signalstrecke aufgeteilt ist. Weiterhin bevorzugt weisen die geschalteten
Kondensatoren (SC) der Eingangskondensatoranordnung jeweils eine
sogenannte Top Platte und eine sogenannte Bottom Platte auf, wobei
ein erster Teil der Kondensatoren mit den Bottom Platten auf die
positive Signalstrecke und mit den Top Platten auf die negative
Signalstrecke schaltbar ist und wobei ein zweiter Teil der Kondensatoren
mit den Bottom Platten auf die negative Signalstrecke und mit den
Top Platten auf die positive Signalstrecke schaltbar ist. Die Bottom
Platte des Kondensators im Sinne der Erfindung ist diejenige Kondensatorplatte,
welche einem Halbleiterchip näher
ist, auf welchem der Kondensator realisiert ist. Die Top Platte
ist dementsprechend die gegenüberliegende
Kondensatorplatte. Weiterhin bevorzugt ist der erste Teil der Kondensatoren
auf dem Halbleiterchip symmetrisch zu dem zweiten Teil der Kondensatoren
angeordnet. Die Symmetrierung der Kondensatoren unterdrückt besonders
vorteilhaft sogenannte Parasiteneffekte.
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Gemäß der Erfindung
ist weiterhin bevorzugt, dass die Bottom Platten der Kondensatoren
auf eine Referenzspannung schaltbar sind. Weiterhin bevorzugt weist
die Eingangskondensatoranordnung eine Untereinheit mit einer Mehrzahl
von Kondensatoren auf, wobei die Top Platten der Kondensatoren der
Untereinheit auf die Abtast-Halte-Schaltung schaltbar sind. Die
Speicherung des Offset und die Durchführung der Messung ist so besonders
vorteilhaft durch taktweises Schalten der Kondensatoren möglich, die
dann als Ladekapazitäten
dienen. Vorzugsweise sind die Kondensatoren der Untereinheit wiederum
punksymmetrisch angeordnete Einheitskapazitäten.
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Gemäß der Erfindung
ist weiterhin bevorzugt, dass über
eine Schalteranordnung eine Zwischenspannung auf das Sensorsignal
schaltbar ist. Die Zwischenspannung kann in diesem Fall vorteilhafterweise
jede beliebige Spannung innerhalb der Betriebsspannung der Schaltungsanordnung
sein. Durch die Schalteranordnung besteht vorteilhaft die Möglichkeit,
einen annähernd
reinen Gleichstromanteil des Offsets am Eingang zu messen, da die
Speicherung des Offsets auf die Sample and Hold Stufe bereits geschehen
kann, bevor die Eingangskondensatoranordnung eingeschwungen ist.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Schaltungsanordnung mindestens
einen zusätzlichen
Operationsverstärker
aufweist.
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Gemäß der Erfindung
ist weiterhin bevorzugt, dass die Eingangskondensatoranordnung mindestens
zwei symmetrisch angeordnete, geschaltete Kondensatoren (SC) aufweist,
wobei das Sensorsignal hinter dem ersten Operationsverstärker abgreifbar
und auf die Abtast-Halte-Schaltung leitbar ist. Die Schaltungsanordnung
gemäß dieser
Ausführungsform
ist besonders einfach und benötigt
vorteilhafterweise keine Schalter an den Kondensatoren der Eingangskondensatoranordnung.
Diese können
vielmehr direkt mit der ersten und der zweiten Signalleitung verbunden
sein, vorzugsweise wiederum mit entgegengesetzt angeordneten Top
Platten und Bottom Platten.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung
eines Sensorsignals, wobei eine Signatur von Wahrheitswerten erzeugt
wird, welche eine Größe des Sensorsignals
relativ zu einem Schwellwert angeben, wobei
- – in einem
Kalibrierungsschritt das Sensorsignal über eine Eingangskondensatoranordnung
in einer Abtast-Halte-Schaltung gespeichert wird und
- – in
einem Signalauswertungsschritt das Sensorsignal über die Eingangskondensatoranordnung in
einen Operationsverstärker
eingespeist wird und das in der Abtast-Halte-Schaltung gespeicherte
Signal invertiert in den Oerationsverstärker eingespeist wird,
wobei
durch einen Komparator aus einem durch den Operationsverstärker verstärkten Signal
die Signatur erzeugt wird.
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Das
Verfahren hat den Vorteil, dass durch die Kalibrierung ein Fehler
(Offset) unterdrückt
wird. Die Verfahrensschritte werden vorzugsweise beliebig oft wiederholt,
wobei insbesondere zu Beginn ein Kalibrierungsschritt durchgeführt wird
und nachfolgend vorzugsweise eine Mehrzahl von Signalauswertungsschritten.
Der Fehler, welcher während
mehrerer aufeinander folgender Signalauswertungsschritte durch Änderungen
des Sensoroffsets (Driften) entsteht, ist in der Regel zu vernachlässigen,
da die Abtastung in vergleichsweise kurzen Zeitintervallen erfolgt.
Auch ein entstehender Phasenversatz kann hier hingenommen werden,
da lediglich die Erkennung einer Signatur vorgesehen ist. Dies erlaubt
vorteilhaft eine Reihe von beispielsweise fünf bis zehn aufeinanderfolgenden
Signalauswerlungsschritten.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es bevorzugt, dass in dem Kalibrierungsschritt eine Zwischenspannung
auf das Sensorsignal geschaltet wird, wobei das Sensorsignal auf
die Abtast-Halte-Schaltung gespeichert wird, bevor die Eingangskondensatoranordnung
eingeschwungen ist. Die Zwischenspannung kann dabei wiederum vorteilhafterweise
jede beliebige Spannung innerhalb der Betriebsspannung der Schaltungsanordnung
sein. Durch das Speichern auf die Abtast-Halte-Schaltung vor dem
Einschwingen der Eingangskondensatoranordnung besteht vorteilhaft die
Möglichkeit,
einen annähernd
reinen Gleichstromanteil des Offsets am Eingang zu messen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es bevorzugt, dass in dem Kalibrierungsschritt das Sensorsignal nach
der Eingangskondensatoranordnung in dem Operationsverstärker verstärkt wird,
bevor das Sensorsignal in der Abtast-Halte-Schaltung gespeichert wird.
Bei dieser Ausführungsform
kann vorteilhaft auf das Schalten der Eingangskondensatoranordnung verzichtet
werden.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Sensoranordnung mit mindestens
einem eine Geschwindigkeit detektierenden Sensor und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Auswertung eines Sensorsignals, wobei der Sensor und/oder die
Vorrichtung zur Auswertung des Sensorsignals im Bereich eines Fahrzeugreifens
angeordnet ist, besonders bevorzugt im Bereich einer Lauffläche des
Fahrzeugreifens, wobei die Vorrichtung zur Auswertung eines Sensorsignals
ganz besonders bevorzugt batteriebetrieben und/oder mittels eines
elektromechanischen Energiewandlers betrieben ist. Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
ist eine Spannungsversorgung der Vorrichtung abschaltbar. Ebenfalls bevorzugt
ist die Spannungsversorgung der Vorrichtung dynamisch regelbar,
vorzugsweise zwischen einem Nutzwert und einem vergleichsweise deutlich kleineren
Wert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es
zeigen
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1 ein
Blockschaltbild aus welchem eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
hervorgeht, sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine Sensoranordnung,
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2 einen
Aufbau eines zweistufigen Delta Sigma Modulators mit nachgeschaltetem
Komparator gemäß einer
ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3a, 3b und 3c Varianten
einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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In
der 1 ist eine Vorrichtung zur Auswertung eines Sensorsignals 2 von
einem Sensor 1 abgebildet, wobei die Auswertung mit einer
ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
einer Schaltungsanordnung 101 erfolgt, die einen ein Delta
Sigma Modulator 10 mit einem Komparator 20 (2)
umfasst. Erfindungsgemäß befindet
sich der Delta Sigma Modulator in einem instabilen Arbeitsbereich.
Ein Triggerzähler 30 wird
benutzt, um einen digitalen Datenstrom 4 in Messzählfenster
zu unterteilen. Der Triggerzähler 30 tastet
mit der gleichen Abtastfrequenz ab, wie der Delta Sigma Modulator 10,
wobei die Abtastfrequenz vorzugsweise im Kilohertzbereich liegt.
Der Triggerzähler
zählt die
Messpulse des digitalen Datenstroms 21 und ein Pulsgeber 31 erzeugt nach
Erreichen einer programmierbaren bzw. festgelegten Grenzzahl einen
Triggerpuls zu einem Messzähler 40,
was zu einem Zurücksetzen
des Messzählers 40 führt, der
daraufhin mit der Auswertung des nächsten Messzählfensters
wieder von Null beginnt. Gleichzeitig wird ein Zählerstand eines Ergebnisspeichers 41,
welchen der Messzähler 40 hochzählt, festgehalten
und mit einer festgelegten, bzw. vorzugsweise programmierbaren Signaturzahl 42 verglichen. Die
Signaturzahl stellt einen Schwellenwert zur Erkennung einer Schwellwertüberschreitung
des Sensorsignals dar. Die logische Antwort 43 stellt die gewünschte Signatur
dar.
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In
der 2 ist ein Aufbau des zweistufigen Delta Sigma
Modulators 10 mit einem Komparator 20 dargestellt.
Das Eingangssignal 2 wird in der ersten Stufe 11 des
Delta Sigma Modulators 10 nach einem ersten Eingangskoeffizienten 12 zu
einem ersten Integrator 13 geleitet, welcher eine Rückkopplung
mit Verzögerungsglied
umfasst. In der zweiten Stufe 14 des Delta Sigma Modulators 10 durchläuft das
Signal einen zweiten Eingangskoeffizienten 15 und erreicht einen
zweiten Integrator 16. Das Ausgangssignal 3 des
Delta Sigma Modulators 10 wird durch einen Komparator 20 ausgewertet,
so dass der Mittelwert eines dichtemodulierten digitalen Datenstroms 4 dem Mittelwert
des Sensorsignals 2 entspricht. Das Signal 4 wird über Rückkopplungen 19 nach
einer Eingangskorrektur 17 bzw. einer Korrektur 18 der
zweiten Stufe 14 mit negativen Vorzeichen in dem ersten Integrator 13 bzw.
dem zweiten Integrator 16 integriert.
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Die
Schaltungsanordnung 101 (1) ist vorzugsweise
zum Zwecke der Leistungsreduktion in einen Warte- oder Sleepmodus
schaltbar. Hierfür werden
die Baugruppen gemeinsam oder sequenziell in den Warte- oder Sleepmodus
gebracht. Dies kann beispielsweise durch vorübergehendes Ausschalten einer
Betriebsspannung erfolgen oder durch sogenanntes dynamisches Biasing.
Dabei wird vorzugsweise der Versorgungsstrom von einem Nutzwert
auf einen vergleichsweise niedrigeren Wert gefahren.
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In
den 3a, 3b und 3c ist
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Schaltbildern dargestellt. Die 3a und 3b stellen
dabei zwei Teile eines Schaltbilds dar, während in 3c eine
Variante zu der Ausführungsform
gemäß 3a dargestellt
ist. Das Sensorsignal 2 von dem Sensor 1 wird
mittels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 102 verarbeitet,
vorzugsweise, wie dargestellt, volldifferenziell. Das Sensorsignal 2 ist
geteilt in eine positive und eine negative Halbebene, hier die positive
Signalstrecke A und die negative Signalstrecke B. Die Schaltung 102 ist
vorzugsweise ein integrierter Schaltkreis mit Eingangskontakten 108, 109 und
hochohmigen Eingangswiderständen 104, 105,
welche dem Schutz vor elektrostatischen Entladungen dienen. Eine
Eingangskondensatoranordnung 110 ist aus Einheitskapazitäten Ca,
Cb, Cda, Cdb, Cdc und Cdd aufgebaut. Alle hier dargestellten Kondensatoren
weisen eine sogenannte Bottom Platte als erste Kondensatorplatte
auf, welche näher
an dem Halbleiterchip angeordnet ist als die, in der Regel etwas
kleinere, Top Platte, der jeweils zweiten Kondensatorplatte jeder
hier dargestellten Kapazität.
Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
wurde auf eine Benennung der jeweiligen Top- und Bottom Platten
verzichtet. Statt dessen sind die Bottom Platten jeweils in bekannter
Form tellerförmig dargestellt,
während
die Top Platten flach sind. Die Einheitskapazitäten Ca, Cb, Cda, Cdb, Cdc und
Cdd der Eingangskondensatoranordnung 110 sind bei einem
Kalibrierungsschritt und bei einem Signalauswertungsschritt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
symmetrisch aufteilbar. So sind die Einheitskapazitäten Ca,
Cda und Cdc mit ihren Top Platten an der positiven Signalstrecke
A angeschlossen (bzw. auf diese schaltbar) und mit ihren Bottom
Platten entsprechend an der negativen Signalstrecke B angeschlossen.
Die Einheitskapazitäten
Cb, Cdb und Cdd sind gerade anders herum mit den Top Platten an
der negativen Signalstrecke B angeschlossen und mit den Bottom Platten
an der positiven Signalstrecke A. diese Symmetrie vermindert vorteilhaft
den sogenannten Parasiteneffekt.
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Die
dargestellte Eingangskondensatoranordnung 110 ist schaltbar
um eine Übertragung
eines Fehlers oder Offsets an eine Abtast-Halte-Schaltung 130 zu
ermöglichen.
Die Bottom Platten der Kapazitäten
Ca und Cb sind zwischen der jeweiligen Signalstrecke A, b und einer
Referenzspannung V_ref schaltbar. Eine Untereinheit 112 umfasst
die Einheitskapazitäten
Cda, Cdb, Cdc und Cdd der Eingangskondensatoranordnung 110 und
dient bei dem Kalibrierungsschritt zur Übertragung des Offsets an die
Abtast-Halte-Schaltung 130. Die vier Einheitskapazitäten Cda,
Cdb, Cdc und Cdd bilden zwei vorteilhaft symmetrische, diametrale
Paare und dienen als Ladekapazitäten
für die
Abtast-Halte-Schaltung 130. Sie werden dazu mit ihren Bottom
Platten an die Referenzspannung V_ref angeschlossen, während die Top
Platten auf die Eingänge
c, d der volldifferenziellen Abtast-Halte-Schaltung 130 geschaltet
werden. Die Schalter 131 der Eingänge c, d sind hierfür geschlossen.
Nach dem Ladungstransfer von den vier Einheitskapazitäten Cda,
Cdb, Cdc und Cdd auf die Abtast-Halte-Schaltung 130 wird
die Untereinheit 112 wieder zurück in den Verbund der Eingangskondensatoranordnung 110 geschaltet
und die Schalter 131 geöffnet.
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In
dem Signalauswertungsschritt sind die Einheitskapazitäten Ca,
Cb, Cda, Cdb, Cdc und Cdd der Eingangskondensatoranordnung 110,
wie oben beschrieben, zur Aufnahme des Signals auf die Signalstrecken
A, B geschaltet. Zur anschließenden
volldifferenziellen Ladungsweitergabe an einen ersten Operationsverstärker 140 werden
wiederum die Bottom Platten der Einheitskapazitäten Ca, Cb, Cda, Cdb, Cdc und
Cdd der Eingangskondensatoranordnung 110 an die Referenzspannung
V_ref angeschlossen. Zeitgleich werden Ausgänge a, b der Abtast-Halte-Schaltung 130 bei
geschlossenen Schaltern 132 über einen Pfad mit geschalteten
Kondensatoren Cea, Cfa für
die positive Signalstrecke A und Ceb und Cfb für die negative Signalstrecke
B auf den Eingang des Operationsverstärkers 140 geschaltet. Die
Aufschaltung des in der Abtast-Halte-Schaltung 130 gespeicherten,
invertierten Fehlers vermindert vorteilhaft den Offset während der
Signalauswertungsphase. Die Auswertung erfolgt getaktet, wobei die
Schalter 141 und 142 je Auswertung einmal kurz geschlossen
werden, wobei ein Eigenfehler des Operationsverstärkers 140 auf
die Eingangskondensatoranordnung 110 übergeben wird. Nach einer einstellbaren
Anzahl an Signalauswertungsschritten erfolgt erneut ein Kalibrierungsschritt,
in welchem ein aktualisierter Offset in der Abtast-Halte-Schaltung 130 gespeichert
wird.
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Der
sich während
der Mehrzahl von Signalauswertungsschritten ergebende Fehler beträgt maximal
den Betragswert der Amplitude des Eingangssignals 2. Damit
liegt ein Restfehler nach der Verstärkung in einem geringen Spannungsbereich
betragsmäßig oberhalb
des maximalen Werts des bereinigten Signals, dass vorteilhaft kein
Analog-Digital-Wandler mit mehreren Bits notwendig ist. Ein einfacher
Komparator 120 (3b), vorzugsweise
ein Inverter mit adäquater
Schaltschwelle, reicht zur Ermittlung des für die Erzeugung einer Signatur 43 notwendigen
Signalpegels aus. Der 3b ist ein an dem Ausgang e,
f des ersten Operationsverstärkers 140 (3a) über geschaltete
Kondensatoren Cga und Cgb angeschlossener, zweiter Operationsverstärker 150 zu
entnehmen, welcher jedoch als optional anzusehen ist. Auf Grund
eines geringen Signalpegels kann dieser über die Kapazitäten Cha
und Chb einstellbare, volldifferenzielle zweite Operationsverstärker 150 notwendig
sein. Die Schalter 151 und 152 werden in dem selben
Takt geschaltet wie die Schalter 141, 142 (3a).
Die Biasspannung 160 liegt als Betriebsspannung an allen
Punkten db an. Die gesamte Schaltungsanordnung 102 ist
vorzugsweise zum Zwecke der Leistungsreduktion in einen Warte- oder
Sleepmodus schaltbar. Hierfür
werden die Baugruppen gemeinsam oder sequenziell in den Warte- oder
Sleepmodus gebracht. Dies kann beispielsweise durch vorübergehendes
Ausschalten der Biasspannung 160 erfolgen oder durch sogenanntes dynamisches Biasing.
Dabei wird vorzugsweise der Versorgungsstrom von einem Nutzwert
auf einen vergleichsweise niedrigeren Wert gefahren.
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Aus
den 3a und 3c geht
eine Variante der Schaltungsanordnung 102 hervor, welche eine
optionale Schalteranordnung 170 aufweist. Über Schalter
S_a und S_b der Schalteranordnung 170 ist eine Zwischenspannung
V_z über
niederohmige Widerstände
R_S_a und R_S_b auf die Signalstrecken A und B schaltbar, wodurch
die hochohmigen Widerstände 106, 107 überbrückt werden.
Die Zwischenspannung V_z kann jede beliebige Spannung zwischen einer
unteren und oberen Betriebsspannung Vdd, Vss der Schaltungsanordnung 102 sein.
Durch das Aufschalten der Zwischenspannung V_z wird ein Eingangsoffset
mit annähernd
reinem Gleichstromanteil auf die Abtast-Halte-Schaltung gespeichert, da
die Eingangskondensatoranordnung 110 in diesem Fall keinen
eingeschwungenen Zustand erreicht.
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In
der 3c ist eine weitere Variante der Schaltungsanordnung 102 dargestellt.
Die Eingangskondensatoranordnung 110 umfasst zwei geschaltete
Einheitskapazitäten
Ca und Cb, welche fest an den Signalstrecken A, B angeschlossen
sind, wobei der Kondensator Ca mit der Top Platte an der positiven Signalstrecke
A und mit der Bottom Platte an der negativen Signalstrecke B angeschlossen
ist, während der
Kondensator Cb mit der Top Platte an der negativen Signalstrecke
B und mit der Bottom Platte an der positiven Signalstrecke A angeschlossen
ist. Komponenten, welche aus 3a bekannt
sind, werden nicht noch einmal im Einzelnen behandelt. In dem Kalibrierungsschritt
wird Signal am Ausgang des Operationsverstärkers 140 abgegriffen
und der Abtast-Halte-Schaltung 130 (3a) über die
Anschlüsse
c, d zugeführt.
Die Einspeisung des auf der Abtast-Halte-Schaltung 130 gespeicherten über die Anschlüsse a, b
erfolgt analog der Schaltungsanordnung gemäß 3a, wobei
hier die Verstärkung
des Operationsverstärkers 140 in
den folgenden Signalauswertungsschritten durch den umgekehrt proportionalen
Verstärkungsfaktor
des Operationsverstärkers 140 ausgeglichen
wird. Der Quotient der Kapazitäten
Cfa/(Ca + Cb) bzw. Cfb/(Ca + Cb) ist der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 140.
Der Pfad über
welchen der gespeicherte Fehler aus der Abtast-Halte-Schaltung 130 eingespeist
wird, muss diese Verstärkung
als Dämpfung
aufweisen. Daraus folgt für
die Verhältnisse
der Kapazitäten
der Kondensatoren Cfa, Cea, Ca, Cb, Cfb und Ceb: Cfa/Cea = (Ca +
Cb)/Cfa und wegen der Symmetrie Cfb/Ceb = (Ca + Cb)/Cfb. Ein Vorteil
dieser Variante besteht darin, dass kein Umschalten der Eingangskondensatoranordnung 110 notwendig
ist. Die Einsparung an Schaltern und der Wegfall der Taktung ist
vorteilhaft für
die Leistungsreduktion und Ersparnis an Chipfläche. Der Wegfall an Taktleitungen
und Schaltern verbessert darüber
hinaus noch einmal die Symmetrie der Eingangskondensatoranordnung 110.